徐至遠(yuǎn)，周金龍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

土地利用是人類憑借土地的自然屬性進(jìn)行生產(chǎn)性或非生產(chǎn)性活動(dòng)的過(guò)程，是一定時(shí)期內(nèi)對(duì)土地進(jìn)行的管理應(yīng)用[1-2]。土地利用變化是指不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化，是生態(tài)系統(tǒng)功能性轉(zhuǎn)變的過(guò)程，不同土地利用類型組合對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響有所不同[3-4]。土地利用變化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，往往與人類活動(dòng)息息相關(guān)，一定時(shí)期內(nèi)土地利用的變化情況可以反映出一個(gè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展情況[5-6]。因此，土地利用變化研究在全球環(huán)境變化研究中占有重要地位[6-7]。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于土地利用變化研究的內(nèi)容主要涉及土地利用/覆被分類、土地利用變化格局與過(guò)程、土地利用變化驅(qū)動(dòng)力及機(jī)制和土地利用變化效應(yīng)等方面[8-11]。土地利用變化能夠改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，由于生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的密切聯(lián)系，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化會(huì)導(dǎo)致完整地理單元中生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的顯著變化[12-13]。然而，目前關(guān)于土地利用時(shí)空變化特征及其生態(tài)效應(yīng)的研究大都集中在某一區(qū)域或省級(jí)行政區(qū)尺度上[14]，尚缺乏對(duì)單獨(dú)完整地理單元土地利用整體變化過(guò)程、規(guī)律及其生態(tài)效應(yīng)方面的研究。因此，在流域這一完整地理單元尺度上研究土地利用時(shí)空變化的特征及其生態(tài)效應(yīng)，不僅能加深我們對(duì)土地利用變化過(guò)程和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還能為區(qū)域尺度生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和恢復(fù)提供理論支撐[9,15]。

蓋孜河流域處于我國(guó)西北干旱區(qū)，降水稀少，植被蓋度低，風(fēng)沙危害大，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)[16]。近年來(lái)，隨著流域內(nèi)人口的不斷增加，推動(dòng)了流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)的增加導(dǎo)致流域內(nèi)的土地利用類型發(fā)生了明顯的變化。本研究以蓋孜河流域?yàn)槔?，利?990—2019年間的4期遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)流域內(nèi)土地利用類型及生態(tài)彈性度的變化特征進(jìn)行分析，以期為蓋孜河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與區(qū)域資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蓋孜河位于塔里木盆地西緣、西昆侖山西端，發(fā)源于撒里科勒斯山北麓，由木吉河、雅瑪亞河于布侖口匯合而成，全長(zhǎng)374 km，流經(jīng)疏附、疏勒、岳普湖三縣和農(nóng)三師41、42團(tuán)場(chǎng)。流域地勢(shì)自西南向東北傾斜，分為剝蝕低山丘陵區(qū)、洪積及沖洪積傾斜平原區(qū)和沖積平原區(qū)，復(fù)雜的地貌結(jié)構(gòu)形成了多樣的土地利用類型(圖1)。蓋孜河河水主要由墓士塔格、公格爾等高山冰雪融化和泉水匯合而成，年均徑流量為11.64億m3，年均流速為36.9 m3/s，每年5—9月為汛期，12月至次年2月為枯水期。蓋孜河流域年均氣溫約為11.5 ℃，年均降水量為162.2 mm，降水量空間分布為北部多、南部少，山區(qū)多、平原少。流域內(nèi)植被稀疏，生長(zhǎng)期較短，以一年生、多年生矮小灌木及墊狀植物為主。

圖1 蓋孜河流域2019年土地利用現(xiàn)狀

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用變化分析

土地利用類型變化幅度是指在一定時(shí)期內(nèi)土地利用類型面積變化的幅度，它是反映土地利用類型在總量上變化情況的主要指標(biāo)之一[11]。其計(jì)算公式為

Cr=(Ab-Aa)/Aa×100%

(1)

式中：Cr為研究期內(nèi)土地利用類型的變化幅度；Aa為研究開(kāi)始時(shí)某種土地利用類型的面積；Ab為研究結(jié)束時(shí)某種土地利用類型的面積。

1.2.2 土地利用程度變化分析

土地利用程度是指土地在人類活動(dòng)干擾下被利用的廣度和深度，它反映了研究區(qū)域內(nèi)土地利用的集約化程度。根據(jù)土地的自然屬性在人類干擾下的平衡狀態(tài)情況可以將土地利用類型分為4個(gè)等級(jí)，其中等級(jí)程度越高，等級(jí)指數(shù)值越高，土地利用的集約化程度越高。一般情況下，將未利用或難利用的土地類型劃為第一級(jí)，其等級(jí)指數(shù)值為1；林地、草地和水域等土地利用類型劃為第二級(jí)，其等級(jí)指數(shù)值為2；耕地和建筑用地分別劃為第三級(jí)和第四級(jí)，其等級(jí)指數(shù)值分別為3和4[11]。某一區(qū)域內(nèi)的土地利用程度一般可用土地利用程度綜合指數(shù)來(lái)表示，其計(jì)算公式為

(2)

式中：LZ為土地利用程度綜合指數(shù)；Aj為第j級(jí)土地利用類型面積占研究區(qū)總面積的比例；Dj為第j級(jí)土地利用類型的等級(jí)指數(shù)值；m為土地利用程度分級(jí)數(shù)，本研究中m=4。

1.2.3 生態(tài)彈性度

生態(tài)彈性度是指生態(tài)系統(tǒng)受到外部干擾后維持內(nèi)部穩(wěn)定的能力，它能很好地反映土地利用變化引起的區(qū)域氣候、土壤和生物多樣性等環(huán)境因子的變化[17]。生態(tài)彈性度與多樣性指數(shù)有關(guān)[9]，其計(jì)算公式為

(3)

式中：Es為生態(tài)彈性度；Si為土地利用類型i面積占研究區(qū)總面積的比例；H為香農(nóng)多樣性指數(shù)；n為土地利用類型數(shù)；Pi為土地利用類型i的彈性分值，本研究借鑒研究中劃定的新疆干旱區(qū)各土地利用類型的生態(tài)彈性分?jǐn)?shù)值，將耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用土地的彈性分值分別劃定為60、90、65、87、15和0。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究中1990、2000和2010年的影像數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云內(nèi)下載的30 m分辨率的Landsat 8數(shù)據(jù)，2019年的影像數(shù)據(jù)是哨兵數(shù)據(jù)下載的10 m分辨率的Landsat 8數(shù)據(jù)。運(yùn)用ENVI 4.8軟件對(duì)4期遙感影像數(shù)據(jù)做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結(jié)合蓋孜河流域的土地利用實(shí)際情況，采用目視解譯的方法將蓋孜河流域土地利用類型分為一級(jí)、二級(jí)土地類型，對(duì)比分析表明，目視解譯的最終數(shù)據(jù)滿足研究要求。運(yùn)用ArcMap 10.5軟件進(jìn)行制圖，并獲得各土地利用類型的面積數(shù)據(jù)，以此對(duì)研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

對(duì)蓋孜河流域1990—2019年的土地利用類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理和分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出：1990年蓋孜河流域的土地利用類型以未利用土地和草地為主，面積占比分別為69.09%和20.55%；其次為耕地，面積占比為6.93%；林地、水域和建筑用地三種土地利用類型面積均較小，三者僅占總面積的3.44%。到2000年，流域內(nèi)各土地利用類型面積變化不大。到2010年，雖然流域內(nèi)土地利用類型仍然以未利用土地和草地為主，但草地面積占比有所下降，為17.54%，耕地面積明顯增加，為9.61%，林地面積顯著下降，僅占總面積的0.66%。到2019年，耕地面積繼續(xù)增加，流域內(nèi)土地利用類型除未利用土地外，耕地和草地面積占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，面積占比分別為11.73%和15.42%，建筑用地面積有所增加，達(dá)到1.31%。

表1 1990—2019年蓋孜河流域土地利用類型結(jié)構(gòu)特征

總的來(lái)看，蓋孜河流域的未利用土地面積在研究區(qū)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但近30年間面積變化不大。在各種土地利用類型中，耕地面積持續(xù)增加，尤其是在2000年后，耕地面積增加明顯，從2000年的1 396.53 km2增加到2019年的2 190.59 km2，增加了794.06 km2，表明2000年后隨著研究區(qū)域內(nèi)人口的大量增加，人們對(duì)糧食等作物的需求增加，大量的草地和林地被開(kāi)墾為農(nóng)田，從而導(dǎo)致耕地面積迅速增加，而林地和草地面積迅速減少。2000—2019年間，林地和草地面積分別減少了85.13 km2和905.35 km2。蓋孜河流域地處干旱區(qū)，農(nóng)田均需要灌溉才能滿足作物生長(zhǎng)需求，耕地面積的增加導(dǎo)致灌溉需水量增加，加之人口增加導(dǎo)致的水資源不合理利用增加，引起水域面積減少，從2010年的229.18 km2減少到2019年的221.23 km2。與此同時(shí)，人口的增加也導(dǎo)致了城鎮(zhèn)地區(qū)的快速發(fā)展，建筑用地面積也發(fā)生了明顯變化，從2000年的214.03 km2增加到2019年的245.06 km2。

2.2 土地利用變化分析

1990—2019年間蓋孜河流域各土地利用類型的變化特征見(jiàn)表2。從表2中可以看出，不同時(shí)期，各種土地利用類型的面積變化趨勢(shì)不一，這種不同在一定程度上也反映出了不同時(shí)期人們對(duì)土地利用的差異?？偟膩?lái)看，近30年間流域內(nèi)的土地利用方式可以分為明顯的三個(gè)類型：①第一種類型為持續(xù)增長(zhǎng)型，主要為耕地和建筑用地，1990—2019年間分別增加了69.41%(897.54 km2)和14.91%(31.80 km2)，其中耕地面積從2000年開(kāi)始迅速增加，而建筑用地面積從2010年開(kāi)始迅速增加。這與流域內(nèi)人口的增加趨勢(shì)一致，2000年后流域內(nèi)人口迅速增加，對(duì)糧食的需求增加，從而導(dǎo)致耕地面積迅速增加，同時(shí)人口的增加和人們生活水平的提高也促進(jìn)了建筑用地面積增加，更多的土地被用來(lái)建成房屋供人們居住和使用。②第二種類型為持續(xù)減少型，主要為草地，1990—2019年間草地面積減少了24.95%(957.23 km2)。其中1990—2000年間草地面積減少不多，2000年后草地面積迅速減少，2000—2010和2010—2019年間草地面積分別減少了13.44%和12.11%，這與流域內(nèi)耕地的變化趨勢(shì)正好相反。耕地面積的增加，必然會(huì)導(dǎo)致人們對(duì)其他土地利用類型的開(kāi)發(fā)，而在其他土地利用類型中，草地是最適合開(kāi)墾為耕地的土地利用類型，也是最容易被人們利用的土地利用類型，因此流域內(nèi)草地和耕地面積呈現(xiàn)出截然相反的變化趨勢(shì)也是顯而易見(jiàn)的。③林地、水域和未利用土地屬于第三種類型，為波動(dòng)變化型。林地面積在1990—2010年持續(xù)減少，尤其是在2000—2010年間，面積急劇下降，下降幅度達(dá)到了41.48%。此時(shí)期由于林地和草地面積的迅速減少，流域生態(tài)環(huán)境有所惡化，因此人們開(kāi)始反思對(duì)土地的不合理利用。同時(shí)，隨著政府環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們開(kāi)始逐漸減少對(duì)林地和草地的破壞，而且在政府相關(guān)部門(mén)的支持和引導(dǎo)下，開(kāi)始施行退耕還林還草等政策。因此，林地面積在2010—2019年間增加了1.52%。水域面積在1990—2000年間呈減少趨勢(shì)，2000—2010年間增加，而2010—2019年間又呈減少趨勢(shì)。蓋孜河處于干旱區(qū)，降水很少，河水主要依靠高山冰雪融水和泉水匯合而成，因此氣候變化尤其是溫度變化對(duì)流域內(nèi)水域面積的影響很大。此外，耕地面積的持續(xù)增加導(dǎo)致農(nóng)田灌溉用水量不斷增加，但是隨著大田漫灌向農(nóng)田滴灌的轉(zhuǎn)變，也在一定程度上影響了人們的灌溉用水量，相比大田漫灌節(jié)省了部分灌溉用水，因而水域面積在近30年間發(fā)生了波動(dòng)性的變化。未利用土地在1990—2019年間也呈現(xiàn)出先降低再增加最后再降低的趨勢(shì)，但波動(dòng)幅度不大。

表2 1990—2019年蓋孜河流域各土地利用類型的變化特征

土地利用程度綜合指數(shù)可以反映人類活動(dòng)對(duì)土地的干擾程度，土地利用程度綜合指數(shù)值越高，表明人類活動(dòng)對(duì)土地的干擾程度越大，利用越劇烈。經(jīng)計(jì)算，1990、2000、2010和2019年蓋孜河流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)值分別為140.12、140.92、142.11和144.67，表明近30年間流域內(nèi)的土地利用程度一直呈增加趨勢(shì)，土地利用的集約化程度越來(lái)越高。

為了更好地分析流域內(nèi)土地利用程度的變化，我們進(jìn)一步分析了各種人類活動(dòng)對(duì)土地利用類型利用程度指數(shù)的影響(圖2)。由計(jì)算結(jié)果和圖2可知，耕地和草地的利用程度指數(shù)較高，在1990年時(shí)分別為20.78和41.09。隨后兩種土地利用類型發(fā)生了截然相反的變化趨勢(shì)。1990—2019年間草地的利用程度指數(shù)值持續(xù)下降，從1990年的41.09下降到2019年的30.84，下降了24.95%；而耕地的利用程度指數(shù)值持續(xù)上升，從1990年的20.78上升到2019年的35.20，上升了69.39%。草地和耕地利用程度指數(shù)的變化與兩種土地利用類型面積的變化趨勢(shì)一致，反映了近30年間人口數(shù)量的增加導(dǎo)致人們對(duì)流域內(nèi)土地利用的程度增加。雖然流域內(nèi)建筑用地的利用程度指數(shù)值低于草地和耕地，但在近30年間一直呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，從1990年的4.57增加到2019年的5.25，增加了14.88%，也在一定程度上反映了蓋孜河流域土地利用程度的增加。林地和水域兩種土地利用類型的利用程度指數(shù)較低，均在2.50以下，其變化對(duì)蓋孜河流域土地利用程度綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)不大?？偟膩?lái)看，近30年間蓋孜河流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)的增加主要是耕地和建筑用地利用程度增加導(dǎo)致的，而草地的利用程度下降，在一定程度上減緩了流域內(nèi)土地利用綜合程度的增加。

圖2 蓋孜河流域各土地利用類型的利用程度指數(shù)

2.3 流域生態(tài)彈性變化分析

不同土地利用方式對(duì)生態(tài)彈性度的影響不同，例如林地和水域等土地利用類型有利于生態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)，對(duì)生態(tài)彈性度的提升具有重要的影響；而建筑用地等土地利用類型主要受人為因素的影響，對(duì)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的影響不大，因此對(duì)生態(tài)彈性度的影響也不大。1990—2019年間蓋孜河流域土地利用多樣性指數(shù)和生態(tài)彈性度的變化見(jiàn)表3。從表3中可以看出，蓋孜河流域土地利用多樣性指數(shù)的變化不大，其值在0.92～0.93間波動(dòng)，表明近30年間，各土地利用類型的面積雖然有所變化，但總體上并沒(méi)有改變土地利用類型非均衡分布的狀況。

表3 1990—2019年蓋孜河流域的生態(tài)彈性度

在測(cè)定的4個(gè)年份中，蓋孜河流域的生態(tài)彈性度值2000年最高，為18.38，2010年最低，僅為17.48，1990和2019年生態(tài)彈性度值居中，分別為18.11和17.64。土地利用類型面積的變化導(dǎo)致了蓋孜河流域生態(tài)彈性度的變化。1990—2000年間，流域內(nèi)的生態(tài)彈性度增加了1.48%，這主要是此段時(shí)期耕地面積的迅速增加導(dǎo)致的。2000—2010年間，流域內(nèi)的生態(tài)彈性度下降了4.91%，這一時(shí)期雖然耕地面積增加了28.45%，但是對(duì)生態(tài)彈性度影響最大的林地面積降低了41.48%，同時(shí)草地面積也下降了13.44%，林地和草地面積的顯著下降導(dǎo)致了這一時(shí)期生態(tài)彈性度的顯著下降。2010—2019年間，流域內(nèi)耕地和林地面積的增加導(dǎo)致了生態(tài)彈性度的增加。近30年間，雖然生態(tài)彈性度值有所波動(dòng)，但總的來(lái)看，蓋孜河流域內(nèi)生態(tài)彈性度呈下降趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)反映出了流域內(nèi)土地利用的變化情況，在一定程度上反映出了人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。

3 結(jié)論與討論

(1)1990—2019年蓋孜河流域土地利用主要以未利用土地和草地為主，其次為耕地，其他土地利用類型的面積較小。在各種土地利用類型中，耕地面積增加明顯，尤其是2000年后，面積增加了794.06 km2；草地面積顯著減少，近30年間減少了957.23 km2；而其他土地利用類型面積雖有變化，但幅度不大。

(2)1990—2019年流域內(nèi)的土地利用類型可以分為明顯的三個(gè)類型。第一種類型為持續(xù)增長(zhǎng)型，主要為耕地和建筑用地，1990—2019年間分別增加了69.41%(897.54 km2)和14.91%(31.80 km2)；第二種類型為持續(xù)減少型，主要為草地，1990—2019年間草地面積減少了24.95%(957.23 km2)；第三種類型為波動(dòng)變化型，主要為林地、水域和未利用土地三種。

(3)1990、2000、2010和2019年蓋孜河流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)值分別為140.12、140.92、142.11和144.67，表明近30年間流域內(nèi)的土地利用程度一直呈增加趨勢(shì)。流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)的增加主要是由于耕地(69.39%)和建筑用地(14.88%)利用程度增加導(dǎo)致的，而草地(24.95%)的利用程度下降在一定程度上減緩了流域內(nèi)土地利用綜合程度的增加。

(4)蓋孜河流域的生態(tài)彈性度值2000年最高，為18.38，2010年最低，僅為17.48，1990年和2019年居中，分別為18.11和17.64。近30年間，雖然生態(tài)彈性度值有所波動(dòng)，但總的來(lái)看，蓋孜河流域內(nèi)生態(tài)彈性度呈下降趨勢(shì)。